馬鈴薯收獲機(jī)的清選分級(jí)技術(shù)與工作性能分析

侯國強(qiáng)，韓休海，陳維剛

(黑龍江省農(nóng)業(yè)機(jī)械工程科學(xué)研究院，哈爾濱 150081)

0 引言

馬鈴薯是極具市場(chǎng)價(jià)值的農(nóng)作物，不僅是生活必須的糧食和蔬菜，還作為牲畜飼料和工業(yè)原料廣泛應(yīng)用于社會(huì)生產(chǎn)中。馬鈴薯經(jīng)過不同的加工工藝能進(jìn)一步提高其市場(chǎng)價(jià)值，因此，馬鈴薯生產(chǎn)的有效實(shí)施是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要保證。隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式逐漸向承包經(jīng)營模式發(fā)展，馬鈴薯的種植面積逐年增加，盡管我國的馬鈴薯產(chǎn)量居世界首位，但是馬鈴薯的品質(zhì)問題降低了其在國際市場(chǎng)的競(jìng)爭力，同時(shí)也影響著馬鈴薯在國內(nèi)市場(chǎng)的銷售收益[1]。利用現(xiàn)代化的馬鈴薯收獲機(jī)，不僅能夠提高馬鈴薯的收獲效率，而且能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)馬鈴薯的清選分級(jí)工作，有利于不同級(jí)別馬鈴薯的分級(jí)利用，成色好、個(gè)頭大的馬鈴薯主要應(yīng)用于蔬菜銷售或食品加工，而個(gè)頭較小、成色不佳的馬鈴薯可用于牲畜飼喂和加工工業(yè)原料，從而進(jìn)一步提高馬鈴薯產(chǎn)業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

1 馬鈴薯收獲機(jī)的總體結(jié)構(gòu)

現(xiàn)階段使用的馬鈴薯收獲機(jī)多采用與拖拉機(jī)配套作業(yè)的形式，通過與拖拉機(jī)后懸掛系統(tǒng)可靠掛接后，利用拖拉機(jī)提供的動(dòng)力進(jìn)行收獲作業(yè)。馬鈴薯收獲機(jī)的總體結(jié)構(gòu)包括挖掘鏟、鎮(zhèn)壓輪、輸送裝置、分離裝置、清選裝置、機(jī)架、連接桿、傳動(dòng)軸、變速箱等組成。根據(jù)馬鈴薯收獲機(jī)機(jī)型大小的不同，配套的拖拉機(jī)動(dòng)力通常在18～36 kW(24～48馬力)之間，且近年來配套動(dòng)力呈不斷增大趨勢(shì)。作業(yè)時(shí)，通過挖掘鏟將馬鈴薯從地下挖出，鎮(zhèn)壓輪將土塊壓碎，分離裝置將雜物分離，清選裝置根據(jù)不同尺寸的馬鈴薯進(jìn)行大小分選，最后將大小兩類或多類的馬鈴薯分別收集，從而完成馬鈴薯的機(jī)械化收獲作業(yè)[2]。

2 清選分級(jí)的原理及關(guān)鍵技術(shù)

2.1 基本原理

馬鈴薯的清選分級(jí)裝置是由傳統(tǒng)的獨(dú)立分選機(jī)為原型設(shè)計(jì)的，將其功能集成在馬鈴薯收獲機(jī)上，從而形成馬鈴薯聯(lián)合收獲機(jī)，使傳統(tǒng)的馬鈴薯收獲機(jī)功能更加豐富。清選分級(jí)裝置主要包括清選輥、清選架體、清選毛刷、調(diào)整機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)幾部分組成。清選輥是清選工作的主要部件，清選輥通常由金屬材料制造，也有采用尼龍等材料的清選輥。以最常見的金屬輥為例，其表面加工有螺旋槽，在裝配時(shí)，螺旋槽左旋和右旋的清選輥成對(duì)安裝，且呈交錯(cuò)排列。在清選輥運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)左旋和右旋輥呈對(duì)向轉(zhuǎn)動(dòng)，螺旋槽起到螺旋推動(dòng)作用使馬鈴薯具有橫向運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，且在移動(dòng)過程中不停轉(zhuǎn)動(dòng)，在毛刷的作用下，馬鈴薯表層殘余的泥土被進(jìn)一步清理，并由清選輥的間隙掉落。與此同時(shí)，尺寸小于清選輥間隙的馬鈴薯也會(huì)從間隙處落下，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)馬鈴薯的分級(jí)。現(xiàn)階段，較為先進(jìn)的馬鈴薯收獲機(jī)的分級(jí)裝置可實(shí)現(xiàn)多級(jí)分級(jí)，從而進(jìn)一步提高馬鈴薯的應(yīng)用價(jià)值。

2.2 清選分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)與功能實(shí)現(xiàn)

馬鈴薯的視覺性狀接近橢球形，但從不同方向的視覺性狀存在較大差別，根據(jù)我國的馬鈴薯質(zhì)量分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，馬鈴薯的外形主要參數(shù)如圖1所示，包括了長徑H1、中徑H2、短徑H3三個(gè)主要衡量指標(biāo)，清選工作主要針對(duì)短徑H3進(jìn)行。清選裝置通常由3～6組清選輥組成，即需要左旋、右旋的螺旋輥共計(jì)6～12根，根據(jù)分級(jí)數(shù)量的不同，清選輥的布置形式也不同。以三級(jí)分選為例，需要布置兩層清選輥，上層清選輥間隙大于下層，一般來說，上層用于分選短徑大于55 mm的馬鈴薯，下層用于分選短徑在40～55 mm范圍間的馬鈴薯，短徑尺寸小于40 mm的馬鈴薯會(huì)由下層清選輥間隙掉落，不同級(jí)別的馬鈴薯由不同的輸送帶進(jìn)行輸送，從而實(shí)現(xiàn)大、中、小分級(jí)收集[3]。

3 清選工作性能分析

3.1 清選效率

馬鈴薯清選的主要工作在于清除表面泥土和對(duì)馬鈴薯進(jìn)行分級(jí)，清選工作的效率取決于馬鈴薯供給量、清選輥轉(zhuǎn)速、清選輥間隙、輸送帶輸送能力四方面。

(1)馬鈴薯的供給量決定了單位時(shí)間進(jìn)入清選機(jī)構(gòu)的馬鈴薯數(shù)量，在清選機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)之初，對(duì)馬鈴薯供給量會(huì)有合理的設(shè)計(jì)，過多的馬鈴薯供給會(huì)降低清選的準(zhǔn)確性，并使馬鈴薯運(yùn)動(dòng)速度降低，不利于快速完成清選，馬鈴薯進(jìn)入量不足，清選機(jī)構(gòu)存在空間浪費(fèi)，清選效率降低。

(2)清選輥的轉(zhuǎn)速?zèng)Q定馬鈴薯橫向運(yùn)動(dòng)的速度和轉(zhuǎn)動(dòng)速度，橫向運(yùn)動(dòng)速度決定了小徑大于清選間隙的馬鈴薯的排出速度，馬鈴薯轉(zhuǎn)動(dòng)速度決定了小徑小于清選間隙的馬鈴薯的掉落效率。

(3)清選輥間隙的選擇也影響到清選效率，間隙過大無法滿足小徑分選的功能需求，使分級(jí)不明確，間隙過小導(dǎo)致馬鈴薯在清選輥上大量聚集，不利于及時(shí)排出。

(4)分級(jí)輸送帶的輸送能力決定了清選后馬鈴薯的排出速度，輸送能力與運(yùn)轉(zhuǎn)速度和布置形式直接相關(guān)，當(dāng)皮帶轉(zhuǎn)速過慢會(huì)導(dǎo)致馬鈴薯在皮帶上運(yùn)行速度過低，排出過慢導(dǎo)致馬鈴薯聚堆，影響機(jī)具正常運(yùn)轉(zhuǎn)。此外，若分級(jí)輸送皮帶的布置傾角過大，也會(huì)導(dǎo)致部分馬鈴薯在皮帶上滾動(dòng)，影響輸送效率。

因此，清選機(jī)構(gòu)的合理調(diào)整及與上下級(jí)機(jī)構(gòu)之間形成良好的匹配十分重要，使用者應(yīng)當(dāng)根據(jù)收獲機(jī)的工作能力、馬鈴薯的平均直徑等因素合理調(diào)整清選機(jī)構(gòu)的相關(guān)參數(shù)。

3.2 傷薯問題

清選機(jī)構(gòu)的運(yùn)轉(zhuǎn)過程也可能會(huì)對(duì)收獲的馬鈴薯造成一定損傷，主要體現(xiàn)在以下幾方面：一是喂入量過大導(dǎo)致馬鈴薯在清選輥上部聚堆，不僅會(huì)造成清選困難，而且由于壓力增加導(dǎo)致清選效率降低，會(huì)使下層馬鈴薯磨損，導(dǎo)致馬鈴薯破皮問題出現(xiàn)；二是馬鈴薯進(jìn)入清選機(jī)構(gòu)時(shí)的下落過程會(huì)與清選輥碰撞，易導(dǎo)致出現(xiàn)磕傷、破損等問題；三是清選輥轉(zhuǎn)速過高會(huì)導(dǎo)致馬鈴薯在與清選輥接觸階段表皮磨損，出現(xiàn)破皮問題；四是上下層清選輥之間的垂直高度差導(dǎo)致馬鈴薯下落時(shí)被磕傷；五是分級(jí)輸送裝置與清選機(jī)構(gòu)的銜接位置和輸送裝置輸出位置的高度差，會(huì)造成馬鈴薯的掉落，可能導(dǎo)致出現(xiàn)磕傷。因此，應(yīng)重視對(duì)清選機(jī)構(gòu)的合理化設(shè)計(jì)，通過降低馬鈴薯垂直落差、合理調(diào)整清選輥轉(zhuǎn)速、科學(xué)匹配馬鈴薯喂入量等方式降低在清選過程的傷薯率，有效提高馬鈴薯的收獲品質(zhì)。

4 結(jié)語

綜上所述，盡管現(xiàn)階段馬鈴薯收獲機(jī)的應(yīng)用逐漸增多，其工作效率與性能也獲得了越來越多農(nóng)民的認(rèn)可，因我國的馬鈴薯收獲機(jī)研究與普及時(shí)間相對(duì)較短，我國生產(chǎn)的大部分馬鈴薯收獲機(jī)仍以中小型產(chǎn)品為主，并不具備清選功能，這造成了馬鈴薯收獲后的剩余工作量仍比較大。而自主生產(chǎn)的大型馬鈴薯收獲機(jī)，其清選結(jié)構(gòu)在與整機(jī)的性能匹配上仍有較大的提升空間，同時(shí)也存在著傷薯的問題，這說明自主先進(jìn)機(jī)型仍需加強(qiáng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化與升級(jí)，以進(jìn)一步提升馬鈴薯的清選效率，同時(shí)保證收獲機(jī)的收獲品質(zhì)，進(jìn)而提高我國馬鈴薯產(chǎn)業(yè)在國際市場(chǎng)的競(jìng)爭力。